JP3645631B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に超音波カラードプラ診断に好適なドプラ信号処理機能を備えた超音波診断装置に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置において、カラーフローマッピングとよばれる二次元血流カラー描画機能は、ドプラ効果を用いて血管の走行状態をリアルタイムで描画することが可能なことから、今日臨床現場で盛んに用いられている。
【０００３】
二次元血流カラー描画機能では、血流の走行状態を表現するのに、血流の流れる方向が探触子に対して、近づいてくる方向か、離れていく方向かによって、それぞれ赤系統、青系統の色相を付与している。又、血流の速度情報はそのパワーを表示して血管の臓器内の分布状態を表示している。
【０００４】
このような二次元血流カラー描画機能を備えた超音波診断装置では、図３に示すように探触子４０により受信された信号を検波した後、Ｂモード信号或いはＭモード信号としてビデオ処理回路４２、スキャンコンバータ４３に送る系に加えて、血流の速度、分散、パワー等の血流情報を演算するための信号処理系を備えている。この信号処理系は、主として超音波信号を位相が互いに９０度異なる２つの参照周波数信号と混合し復調する直交復調器４４と、復調された複素信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器４５と、心臓壁などの不要固定反射信号を除去するためのＭＴＩフィルタ４６と、自己相関法などにより血流の速度、分散、パワー等の演算を行うための演算部４７とを備えている。
【０００５】
このような超音波診断装置では、受信回路で受信された超音波信号は、整相回路４１において、探触子４０が単一素子かアレイ形探触子かに応じて、超音波ビームを偏向・集束するための処理が実行され、更にＢモード信号としてスキャンコンバータ４３に送られる信号は、ディスプレイ４９のダイナミックレンジや輝度特性に合せて対数圧縮、γ補正等の処理がなされる。一方、整相回路４１の出力は参照周波数信号と混合復調した後、各複素信号をデジタル化し、ＭＴＩフィルタ４６で固定成分を除去した後、実数部と虚数部の比に逆正接をとるなどの演算が行われる。演算部４７における演算結果は、カラー処理部４８において血流の流れる方向により色相が付与されるとともに、そのパワーに応じた色調が付与され、Ｂモード信号とともに或いは個別にディスプレイ４９に表示される。
【０００６】
また整相回路の出力をデジタル化し、カラードプラのための信号処理（復調、血流描出のための演算等）をＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）で行なう超音波診断装置も開発されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、二次元血流カラー描画機能の目的は、血管の走行状態を知ると共に、微細血管の有無・分布状況を識別することに有る。カラー描画機能として表示すべきドプラ信号は大は組織の運動から小は末梢血管まで１００ｄＢに及ぶ信号を取り扱わなくてはならないが、従来技術においては、直交復調或いはＡ／Ｄ変換等における素子のダイナミックレンジ不足のために微細な血管まで描出することが困難であった。
【０００８】
例えばデジタル処理による速度・パワー計算のために復調信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器は、たかだか１０〜４０ビットで、その入力ダイナミックレンジは約６０〜８４ｄＢにすぎない。従って腎臓のように、全視野内に前述のような幅広いダイナミックレンジを要する血流情報を描画することが困難であった。
【０００９】
そこで本発明の目的は、カラードプラ信号処理において狭いダイナミックレンジの信号処理手段を通過しなければならない場合にその信号処理手段のダイナミックレンジを実効的に拡大して、幅広い範囲の血流情報を二次元カラー表示する機能を有する超音波診断装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の超音波診断装置は、探触子に超音波を生体内に送信させると共に、前記探触子に生体内からの反射超音波信号を受信させる送受信手段と、受信された信号をＡ / Ｄ変換するＡ / Ｄ変換器と、Ａ / Ｄ変換後の受信信号を加算する加算手段と、加算後の信号を信号処理する信号処理手段と、処理後の信号を用いて前記生体内の血流情報を演算する手段と、該演算結果を表示する表示手段とを備えた超音波診断装置において、前記信号処理手段は、前記加算後のデジタル信号を信号圧縮する圧縮手段と、該信号圧縮された信号を互いに位相が９０度ずれた参照周波数信号で復調する１組のデジタル直交復調手段と、前記１組の直交復調手段で復調された信号をそれぞれ伸張する１組の伸張手段と、該伸張された信号を前記演算手段に出力させ、該出力された信号を用いて前記演算手段に血流情報を演算させるとともに、該演算された結果を前記表示手段に表示させる制御手段とを具備したものである。
【００１１】
圧縮手段は復調手段の前段に設けられ、復調手段のダイナミックレンジに受信信号のダイナミックレンジを縮小する。
【００１２】
一方、伸張手段は復調後の受信信号をもとのダイナミックレンジに伸張し、演算手段に送る。演算手段は伸張されたダイナミックレンジの信号を処理する。これにより、１００ｄＢにおよぶ幅広いダイナミックレンジを有する血流信号を復調手段の比較的狭いダイナミックレンジに制限されることなく、演算処理することが可能となり、組織運動といった大振幅のドプラ信号から末梢血管といった微弱な信号まで、飽和や微少信号の欠落といった事態にいたることなく描画することができる。
【００１３】
本発明において圧縮手段と伸張手段の変換特性は、互いに逆特性であることが好ましい。例えば、対数変換と指数変換、開平と二乗、三乗根と立方、折れ線近似を含むものあるいはこれらの組み合わせとすることができる。これにより信号圧縮によるスペクトル等への影響を最小限にすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて具体的に説明する。
【００１５】
図１は超音波診断装置の１参考例を示す図で、送波ユニット１１及び受信回路１２からなる超音波探触子１０と、探触子が単一素子かアレイ形探触子かに応じて超音波ビームの偏向・収束操作を行なう整相回路１３と、整相回路１３の出力に対し、対数圧縮や検波などの処理を行ないＢモード信号を形成するビデオ処理回路１４と、受信信号（整相回路１３出力）をドプラ信号処理する信号処理手段２０と、ビデオ処理回路１４からのＢモード信号と信号処理手段２０からの演算結果である血流情報とを入力するスキャンコンバータ１５と、ディスプレイ１６とを備えている。
【００１６】
信号処理手段２０は、受信信号を互いに位相が９０度ずれた参照周波数信号で復調する１組の直交復調器２１ａ、２１ｂと、これら直交復調器２１ａ、２１ｂからの複素信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２２ａ、２２ｂと、心臓壁などの不要固定反射信号を除去するためのＭＴＩフィルタ２３ａ、２３ｂと、デジタルドプラ信号を基に速度・分散・パワー等の血流情報を演算する演算部２４とを備えている。直交復調器２１ａ、２１ｂは、それぞれ図示しない０度参照周波数信号発生器及び９０度参照周波数信号発生器に接続され、入力信号を各参照周波数信号と混合復調する。Ａ／Ｄ変換器２２ａ、２２ｂは、一般には１０〜１４ビットのものが使用されるが、本実施例では１２ビットのＡ／Ｄ変換器を用いている。尚、図示していないが、演算部２４には、演算結果である血流情報に基づき血流方向を青及び赤で、速度（ドプラ周波数）を輝度で表示するためのカラー表示回路が備えられている。また直交復調器２１ａ、２１ｂの後段にはローパスフィルタを設けてもよい。
【００１７】
更に信号処理手段２０は、Ａ／Ｄ変換器２２ａ、２２ｂの前段に圧縮手段として非線形アナログ圧縮器２５ａ、２５ｂが、ＭＴＩフィルタ２３ａ、２３ｂの前段に伸張手段として非線形伸張器２６ａ、２６ｂが備えられている。本実施例において、非線形圧縮器としては、入力される約１０２ｄＢの復調信号の振幅を約６０ｄＢの信号に圧縮するようなアナログ圧縮器を用いており、その変換特性としては対数変換を用いている。又、非線形伸張器としては、入力アドレスがＡ／Ｄ変換後の信号の振幅情報（約６０ｄＢ：０から２⁹）に対応し、出力アドレスが伸張変換された信号（約１０２ｄＢ：０から±２¹⁶）に対応するようなＲＯＭテーブルを用いており、その変換特性としては指数変換を用いている。
【００１８】
このような構成における超音波診断装置の信号処理について説明する。
まず送波ユニット１１から探触子１０により生体１内に超音波を送信する。生体内で反射した反射超音波信号は、同じ探触子１０で受信され、受信回路１２において電気信号に変換され、探触子が単一素子かアレイ形探触子かに応じて適切な整相回路１３により、超音波ビームの偏向・収束操作が実施される。整相回路の出力は、検波などのビデオ処理回路１４を介して、Ｂモード信号としてスキャンコンバータ１５に送られ、ディスプレイ１６に表示される。
【００１９】
他方、整相回路１３の出力Ｓは、非線形圧縮器２５ａ、２５ｂにて圧縮された後、直交復調器２１ａ、２１ｂに分配され、０度及び９０度の各参照周波数信号Ｓ0、Ｓ90と混合復調され、同相成分Ｉと９０度成分Ｑとに分離される。このように復調された信号は、血流による超音波の変調であり、約１０２ｄＢ（１６ビットに対応）の信号である。これまで血流信号中、高周波成分はノイズとしてローパスフィルタでカットした後Ａ／Ｄ変換されていたが、高ビットの信号の中に抹消血管等の重要な情報が含まれることがわかってきた。従って、ここでは血流信号の高周波成分をローパスフィルタでカットすることなく、対数圧縮してＡ／Ｄ変換する。即ち復調された復素信号Ｉ、Ｑは、それぞれ非線形圧縮器２５ａ、２５ｂにて約６０ｄＢ（１０ビット）に圧縮された後、１２ビットＡ／Ｄ変換器２２ａ、２２ｂにてデシタル変換される。
【００２０】
デジタル化されたドプラ信号は、非線形圧縮器２５ａ、２５ｂの逆の変換特性を有する非線形伸張器２６ａ、２６ｂによってそのダイナミックレンジが回復される。即ち、非線形伸張器２６ａ、２６ｂは内蔵するＲＯＭテーブルによって、入力された約１０ビットの振幅情報を１６ビットの情報に対応付けて出力する。このように逆変換（伸張）された信号Ｉd、Ｑdは、ＭＴＩフィルタ２３ａ、２３ｂで不要固定反射信号を除去した後、演算部２４に供給され、たとえば次式に示すように実数部・虚数部の比の逆正接をとるなどの演算により
Ｖ＝ｔａｎ^-1（Ｑ／Ｉ）
速度・分散・パワー等の血流情報が演算抽出される。この演算結果は、カラー表示部において色調を付加された後、スキャンコンバーター１５に供給されて、Ｂモード信号と平列または個別にディスプレイ１６に描画される。
【００２１】
かかる構成により、幅広いダイナミックレンジを有する血流信号をＡ／Ｄ変換器の比較的狭いダイナミックレンジに制限されることなく、演算処理するといったことが可能となり、組織運動といった大振幅のドプラ信号から末梢血管といった微弱な信号まで、飽和や微少信号の欠落といった事態にいたることなく描画することができる。さらに、本装置では、Ａ／Ｄ変換の前で圧縮しているため、いわゆる量子化雑音の影響を受けにくい。
【００２２】
尚、圧縮器による非線形処理のスペクトル形状への影響は、伸張変換の効果で比較的軽微であり、平均速度を求めるカラーフロー表示においては影響は認められなかった。またスペクトルの形状を問わないパワー表示においてもその影響は視認できない程度であった。
【００２３】
図２は、超音波診断装置の他の参考例を示す図で、図１と同じ構成部分は同一の番号で示している。図２の超音波診断装置において、整相回路１３からビデオ処理回路１４を通ってスキャンコンバータ１５へ送られる信号処理系は図１の装置と同様であるが、ドプラ信号処理のための信号処理手段２０の構成が異なり、非線形圧縮器２５ａ、２５ｂはそれぞれ直交復調器２１ａ、２１ｂの前段に配置される。
【００２４】
この構成では、整相回路１３の出力は、非線形圧縮器２５ａ、２５ｂにて圧縮された後、直交復調器２１ａ、２１ｂに分配され、各々０度参照周波数信号及び９０度参照周波数信号と混合復調される。以後は図１の装置と同様、複素信号はそれぞれ、１２ビットＡ／Ｄ変換器２２ａ、２２ｂにてデジタル変換され、非線形伸張器２６ａ、２６ｂによってそのダイナミックレンジが回復された後、ＭＴＩフィルタ２３ａ、２３ｂを経由した後、演算部２４に供給され、速度・分散・パワー等の血流情報が演算抽出される。この演算結果は、色調を付加された後、スキャンコンバーター１５に供給されて、図示していないパルスドップラ信号とＢモード信号と並列または個別にディスプレイ１６に描画される。
【００２５】
本参考例においては、図１の装置と異なり、受信信号を復調変換する前に非線形圧縮変換し、復調変換した後Ａ／Ｄ変換するようにしたので、Ａ／Ｄ変換器２２の狭いダイナミックレンジの影響を低減するばかりでなく、アナログ直交復調器２１の狭いダイナミックレンジの影響も低減することができる。また図１の装置と同様、Ａ／Ｄ変換の前で圧縮しているため、量子化雑音の影響を受けにくいという利点を有する。
【００２６】
以上説明した参考例は、ドプラ信号処理手段が復調後の信号をＡ／Ｄ変換し演算部にて演算する構成の超音波診断装置であるが、本発明はアレイ型探触子の各受信信号を並列Ａ／Ｄ変換した後、各デジタル信号を遅延制御した後加算して得られたデジタル受信信号をデジタルミキサにより復調する構成の超音波診断装置に適用される。図３は、本実施例による超音波診断装置の概要を示す図で、図１と同じ構成部分は同一の番号で示している。図３では、整相回路１３からビデオ処理回路１４を通ってスキャンコンバータ１５へ送られる信号処理系は省略されているが、これは図１の装置と同様である。
【００２７】
各並列Ａ／Ｄ変換器３１のビット数は１２、従って７２ｄＢのダイナミックレンジを有する。これらのＡ／Ｄ変換器（例えば２５６チャンネル）の並列加算を行うと出力信号は２０ビット、約１２０ｄＢとなる。このデジタル化した信号は、次に２つのデジタル復調器３２により、それぞれ８ビットの参照周波数信号と混合されるが、一般にデジタル復調器３２の能力は１６ビット程度である。従ってここでは加算出力（整相出力）３１ａと復調器３２との間に、非線形圧縮器３３を配置し、２０ビットの信号を１６ビットに圧縮する。また復調器３２の後段に非線形伸張器３４を配置する。この場合、非線形圧縮器３３は図１又は図２の非線形伸張器２６と同様にＲＯＭテーブルを用いたデジタル圧縮器を用いることができる。即ち、入力アドレスが約１２０ｄＢの復調信号の振幅情報（０から±２¹⁹）に対応し、出力アドレスが圧縮変換された約１０２ｄＢ（０から±２¹⁵）に対応するようなＲＯＭテーブルが用いられる。
【００２８】
このように圧縮された１６ビットの信号は復調器３２により復調された後、非線形伸張器３４によりダイナミックレンジが回復され、それ以降は図１及び図２の装置と同様にＭＴＩフィルタを通過し演算部に送られる。
【００２９】
本実施例では、デジタル復調器３２の前段に圧縮器３３、後段に伸張器３４をそれぞれ配置することにより、デジタル復調器３２の比較的狭いダイナミックレンジを実効的に拡張することができる。
【００３０】
尚、本発明において非線形圧縮器及び非線形伸張器は、ＲＯＭテーブルではなく、ＤＳＰによる演算で、圧縮変換・伸張変換をソフトウェア的に実施することも可能である。
【００３１】
また圧縮変換・伸張変換の特性は、対数変換・指数変換のみならず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で開平・二乗、三乗根・立方、折れ線近似等の組み合わせを用いても有効である。さらに、圧縮手段と伸張手段の変換特性が互いに逆特性であることが望ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００３２】
更に上述の実施例では、本発明をカラーフローマッピングとよばれる実時間２次元血流描画機能に適用した例について説明したが、本発明はいわゆるパルスドプラなどのスペクトル波形を表示する機能を有する超音波診断装置の信号処理においても、同様に適応可能であり、この場合、非線形処理・逆非線形処理に伴うスプリアスノイズの発生が比較的少ない正規分布を有するスペクトラムの場合に特に有効であった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ドプラ信号処理の過程において比較的狭いダイナミックレンジの復調器を信号が通過する場合でも、このような復調器の前段及び後段にそれぞれ信号圧縮手段及び伸張手段を設けることにより、比較的幅広いダイナミックレンジを有する血流信号を信号処理手段の比較的狭いダイナミックレンジに制限されることなく演算処理することが可能となり、組織運動といった大振幅のドプラ信号から末梢血管といった微弱な信号まで、飽和や微少信号の欠落といった事態にいたることなく描画することができる。
【００３４】
これにより、微細血管を含めた体内の血管走行状態の描出が容易となり、特にカラーフロー診断装置の有用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波カラードプラ診断装置の１参考例を示す図
【図２】超音波カラードプラ診断装置の他の参考例を示す図
【図３】本発明に係る超音波カラードプラ診断装置の実施例を示す図
【図４】従来の超音波カラードプラ診断装置を示す図
【符号の説明】
１０・・・・・・超音波探触子
１１・・・・・・送波ユニット
１２・・・・・・受信回路
１３・・・・・・整相回路
１４・・・・・・ビデオ処理回路
１５・・・・・・スキャンコンバータ
１６・・・・・・ディスプレイ
２１ａ、２１ｂ・・・・・・直交復調器
２２ａ、２２ｂ・・・・・・Ａ／Ｄ変換器
２３ａ、２３ｂ・・・・・・ＭＴＩフィルタ
２４・・・・・・演算部
２５ａ、２５ｂ・・・非線形圧縮器
２６ａ、２６ｂ・・・非線形伸張器

Claims (3)

1. 探触子に超音波を生体内に送信させると共に、前記探触子に生体内からの反射超音波信号を受信させる送受信手段と、受信された信号をＡ/Ｄ変換するＡ/Ｄ変換器と、Ａ/Ｄ変換後の受信信号を加算する加算手段と、加算後の信号を信号処理する信号処理手段と、処理後の信号を用いて前記生体内の血流情報を演算する手段と、該演算結果を表示する表示手段とを備えた超音波診断装置において、前記信号処理手段は、前記加算後のデジタル信号を信号圧縮する圧縮手段と、該信号圧縮された信号を互いに位相が９０度ずれた参照周波数信号で復調する１組のデジタル直交復調手段と、前記１組の直交復調手段で復調された信号をそれぞれ伸張する１組の伸張手段と、該伸張された信号を前記演算手段に出力させ、該出力された信号を用いて前記演算手段に血流情報を演算させるとともに、該演算された結果を前記表示手段に表示させる制御手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記圧縮手段と前記伸張手段の変換特性が互いに逆特性であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記圧縮手段の圧縮変換の特性及び前記伸張手段の伸張変換の特性は、対数変換・指数変換、開平・二乗、三乗根・立方、折れ線近似を含むものあるいはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。

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